한국산학기술학회논문지

Vol. 10, No. 12, pp. 3559-3566, 2009

3559

본 연구는 산업자원부의 산업기술개발사업의 연구비 지원에 의해 수행되었음.*

교신저자 : 노태정(tjlho@tu.ac.kr)

접수일 09년 09월 07일 수정일 09년 12월 09일 게재확정일 09년 12월 16일

Ansys와 LabView를 이용한

프레스 성형용 파이프 인서트 주조금형 개발

노태정1*, 최현창11동명대학교 메카트로닉스공학과

Development of Pipe-Inserted Cast Die

for Press Forming Process Using Ansys and LabView

Tae-Jung Lho1*and Hyeon-Chang Choi1

1Dept. of Mechatronics Engineering, Tongmyong University

요 약 종래에는 신발 부품 등을 제작하는데 주조금형을 가열, 냉각하는 별도의 가열판과 냉각판을 사용해 왔다.

그러나 이것은 금형을 가열 및 냉각하는데 시간이 너무 오래 걸리는 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 기존의 가

열판과 냉각판을 사용하던 방법을 대체하여 파이프 인서트 주조 금형을 사용한 신발창의 프레스 성형에 대한 적용

가능성을 제안하였다. 유한요소법을 사용한 수치해석이 금형의 온도분포 해석에 적용되었으며, 또한 LabView에 의해

그 온도를 실제로 측정하였다. 프레스 성형용 파이프 인서트 주조금형에 의해 부품을 제작하는 공정은 특히 생산성

면에서 아주 효과적이라고 검증되었다.

Abstract Heating and cooling plate are separately used for heating and cooling cast dies for footwear parts.

However, this has a disadvantage that it takes a long time to manufacture footwear parts etc.. In the present

study, the pipe-inserted cast die for press forming process was proposed to substitute heating and cooling plate.

The temperature distribution on the pipe-inserted cast die was analyzed by numerical work using a FEM. And

its temperature was measured by LabView. A manufacturing by the pipe-inserted cast die for press forming

process was effectively verified, especially in a productivity.

Key Words : Pipe-inserted Cast Die, Finite Element Method(FEM), LabView, Temperature Distribution, Press

Forming, Heat Conduction, Heat Convection

1. 서론

종래에는 밑창(out-sole), 중창(mid-sole), 안창

(inner-sole) 등의 신발창(footwear sole)과 신발 부품들을

제조할 때는 가열판(heating plate)과 냉각판(cooling

plate)을 이용한 프레스 성형(press forming)이 많이 사용

되어 왔다. 여기서 가열판 및 냉각판은 통상 압연 알루

미늄 판재를 절단하여 외형을 가공한 후, 가열판의 경우

에는 증기스팀(water steam) 관로를, 냉각판의 경우에는

냉각수의 관로를 건 드릴링(gun drilling) 등의 기계가공

으로 제작하게 된다. 그러나 이러한 종래의 플레이트는

관통된 구멍을 연결하여 관로를 만들기 위해서 각 연결

부를 막음작업을 하여야만 함으로 기계가공 및 수작업

공수가 과다하게 소요되는 단점을 가지고 있다. 또한 각

연결 부위가 'T' 자로 형성되어 있기 때문에 열 및 냉각

매체의 흐름을 방해하는 주원인으로서 제조비용을 증가

시킬 뿐만 아니라 가열 및 냉각 효율을 저해하여 신발창

및 부품의 성형 생산성을 저하시키고, 가열판 및 냉각판

은 금형과 분리되어 갭이 생기므로 열효율이 떨어지며,

또한 뜨거운 금형을 냉각수 프레스로 옮겨야 하는 불편

한 문제점을 가지고 있다.

이에 대하여 금형의 신발 성형 홈에 인접한 부위에 열

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매체유 및 냉 매체유가 흐르는 관로를 설치하여 냉간가

공과 열간가공을 동시에 수행할 수 있는 신발창용 파이

프 인서트 주조 금형을 제작하는 추세에 있다. 이는 가

열판 및 냉각판의 제조공정을 기계가공법에서 일체식 주

조법으로 전환할 수 있어서 제조공정 및 가공비 요인을

최소화할 수 있으며, 열 및 냉각 매체의 흐름을 방해하는

T자형 관로의 문제가 해결되어 열효율을 높일 수 있으며,

금형 내에 배관처리로 가열판 및 냉각판을 금형과 일체

화시켜 작업의 공정수를 줄일 수 있고, 높은 열효율로 작

업시간을 단축할 수 있으므로 많이 채택될 것으로 예상

된다. 따라서 파이프 인서트 주조금형을 사용하는 것은

기존의 별도의 가열판 및 냉각판을 사용하여 금형을 가

열, 냉각하는 것에 비하여 열효율이 50%이상 향상되어

작업시간이 50% 이상 단축되며 금형 회수율이 50%이상

향상되며, 또한 금형개폐장치의 자동화로 품질도 균일하

고 좋기 때문에 많은 채용이 있을 것으로 예상된다.

연구적 배경으로서, [2]는 Ansys를 이용하여 용접 코팅

된 연속주조 몰드의 열해석을 하였으며, [3]은 Fluent를

사용하여 NO2 마이크로 가스센서에 대한 열전달을 해석

하였으며, [4]는 사출금형의 3차원 냉각채널에 대한 시뮬

레이션을 수행하여 설계, 제작하였으며, [5]는 내부 채널

을 갖는 사출 금형의 온도해석을 하였으며, [6]은 판형 핀

을 가진 원통-다관형 열교환기의 열전달 특성에 관한 연

구를 하였으며, 그리고 [7]은 내연기관의 실린더 헤드 조

립체 내부의 냉각수 유동 및 열전달에 관한 연구를 수행

하였다.

따라서 본 연구에서는 유한요소법(FEM)을 적용한 수

치해석 방법을 이용한 파이프 인서트 주조금형의 열유동

현상을 해석하고, LabView에 의한 온도 측정을 통하여,

개발 금형의 가열 및 냉각 효과에 대한 열효율 및 성능을

시험하여 개발 금형의 적용 가능성을 진단하고자 한다.

2. FEM Formulation

금형의 내부에 파이프를 통하여 150℃의 증기스팀을

공급하여 금형에 열을 가하고, 또한 10℃ 냉각수를 공급

하여 금형을 냉각하고, 이 때 금형으로 전도에 의한 열전

달이 일어난다. 단열처리된 밑면을 제외한 외부에는 자

연 대류가 발생한다.

2.1 열전도 지배방정식 및 경계조건[1]

금형에서 정상(steady) 상태의 3차원 열전도 방정식은

(1)과 같다.

(1)

여기서 x, y, z는 금형의 각각 길이, 폭, 두께 방향의 좌

표이며, T는 온도(temperature, ℃)이다. 과도(transient) 상

태에서의 3차원 열전도 방정식은 (2)와 같다.

(2)

여기서 α= k/ρc, α는 열확산율(thermal diffu- sivity), k

는 열전도도(thermal conductivity), ρ는 밀도(density), c는

비열(specific heat), t는 시간(time) 이다. 경계조건으로서

관 내부 표면에서는 관내부의 유체로 부터의 대류 열전

달이므로 (3)와 같다.

(3)

여기서 h는 대류열전달 계수(W/m2℃), Tw는 관내부의

유체의 온도이다. 금형의 밑면에서는 단열처리 되어 있

으므로 (4)와 같다.

(4)

여기서 P는 금형의 두께이다. 그 이외의 면에서는 자

연대류이므로 (5)와 같다.

(5)

여기서 L, W는 길이 및 폭이며, Ta는 대기의 주위 온도

이다.

2.2 FEM 모델링

금형의 온도를 FEM 해석하기 위하여 실제 금형을 토

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대로 솔리드 모델링 후 적절한 메쉬 크기를 정하여 그림

1(a), (b)와 같은 유한 요소들을 생성한다.

[그림 1(a)] 금형상판 Grid Generation

[그림 1(b)] 금형하판 Grid Generation

금형의 온도분포 해석에 사용된 프로그램은 Ansys 8.1

이며, 금형의 재질은 알루미늄 합금 T6061를 사용하였으

며, 이에 대한 물성치와 입력조건은 표 1과 같다.

항 목 물성치

금형 열전도계수(k) 210 W/m2K

대류열전달 계수(h) 5 W/m2K

water steam 온도 150 ℃

cooling water 온도 10 ℃

주위 온도(Ta) 25 ℃

[표 1] 금형의 물성치 및 입력 조건

3. 금형 온도해석 결과

파이프 인서트 주조금형을 사용한 프레스 성형은 약 5초

간 압축공기를 주입하여 금형을 청소한 후 약 150℃의 스팀

을 약 7분간 주입하여 금형을 가열하고, 약 5분간 약 10℃의

냉각수를 주입하여 냉각하여 프레스 성형품을 취출하는 공

정이다. 따라서 그림2는 스팀 주입 70초 후 금형 하판의

온도분포를 FEM 해석한 결과를 나타내며, 관 주위의 온

도가 약 100℃로 올라감을 알 수 있다.

[그림 2] 스팀 주입 70초 후 금형 하판의 온도분포

그림 3은 스팀 주입 후 정상상태의 금형 상판전체의

온도 분포의 해석결과를 나타내며, 이는 최고온도가

147.5℃로 유지하며 프레스 성형이 충분히 가능함을 알

수 있다.

[그림 3] Steam 주입 후 정상상태에서 금형상판의 온

도분포

그림 4, 그림 5는 스팀 주입 후 정상상태의 금형 상판

의 스팀 주입부와 밑면에서의 각각 온도 분포의 해석 결

과를 나타낸다.

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[그림 4] Steam 주입 후 정상상태에서 금형상판

steam 주입부의 온도분포

[그림 5] Steam 주입 후 정상상태에서 금형상판 밑면

의 온도분포

그림 6, 그림 7은 Steam 주입 후 정상상태에서 금형

하판의 전체 온도분포의 해석결과로서, 각각 실험#1 및

실험#2 측정위치에 대한 해석 값을 나타내며, 이는 인서

트 파이프 경로를 중심으로 온도가 적절히 분포함을 알

수 있다.

[그림 6] Steam 주입 후 정상상태에서 금형 하판의

전체 온도분포(실험#1 측정위치)

[그림 7] Steam 주입 후 정상상태에서 금형 하판의 전체

온도분포(실험#2 측정위치)

그림 8, 그림 9는 스팀 주입 후 정상상태의 금형 하판

의 스팀 주입부와 밑면에서의 각각 온도 분포의 해석 결

과를 나타낸다.

[그림 8] Steam 주입후 정상상태에서 금형하판의 water

steam 주입부 온도 분포

[그림 9] Steam 주입 후 정상상태에서 금형하판 밑면의

온도 분포

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[그림 10] 냉각수 주입 70초 후 금형의 온도분포

그림 10은 냉각수 주입 70초 후에 금형의 온도가 35℃

- 80℃ 정도로 하강하여 금형이 냉각됨을 알 수 있다. 그

림 11은 냉각수로 냉각 후 정상상태에서 금형하판의 전

체 온도분포를 나타내며, 이는 10.5℃ - 22.6℃ 정도로 분

포하며 특히 관로 근처에는 충분히 냉각됨을 수 있다.

[그림 11] 냉각수 냉각 후 정상상태에서 금형하판의 전

체 온도분포

그림 12, 그림 13은 냉각수로 냉각 후 정상상태에서

금형하판의 각각 밑면 및 냉각수 주입부의 온도분포 해

석결과를 나타낸다.

[그림 12] 냉각수 냉각 후 정상상태에서 금형하판 밑면의

온도분포

[그림 13] 냉각수 냉각 후 정상상태에서 금형하판 냉각수

주입부의 온도분포

4. 실험장치 구성 및 실험 결과

실험에 사용된 프레스 장비는 그림 14와 같으며 PLC

와 연결되어져서 스팀과 냉각수를 주입하는 시간을 조절

한다. 개발된 금형은 알루미늄 합금 T6061 으로서 파이

프 인서트 주조로 제작되었으며 그림 15에서와 같이 스

팀과 냉각수는 금형의 상판과 하판에 연결되어 있다.

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[그림 14] 개발된 프레스 장비

(a)금형 하판 (b)금형 상판 (c)스팀/냉각수 주입구

[그림 15] 개발된 파이프 인서트 주조금형

약 1200℃까지 금형의 온도측정이 가능한 K-type 열전

대(Thermocouple)를 사용하고, 이 아날로그신호를

PCLD-789D Amplifier & Multiplexer Board(Advantech사)

를 통하여 증폭하여 PCL-812PG A/D

Converter(Advantech사)를 거쳐 디지털 신호로 변환되어

PC에 내장된 LabView 응용 프로그램으로 연결되어 실시

간으로 계측, 모니터링 하도록 계측시스템을 구성하였다.

실제적인 금형의 온도 측정은 실험#1, #2로서 총 2회를

하였으며, 온도 측정을 한 위치는 신발의 중창이 만들어지

는 부분으로 아래와 같다.

(a) 실험#1

(b) 실험#2

[그림 16] 금형 온도 측정위치

그림 17, 그림 19는 각각 실험#1, #2의 위치에서 금형의

온도를 실제로 측정한 결과로서, 이는 스팀이 주입되는 7분

(420초) 동안은 온도가 올라가고 냉각수가 주입되는 5분

(300초) 동안은 온도가 내려가는 것을 알 수 있다. 또한 그림

18, 그림 20은 실험#1, #2의 위치에서 금형의 온도를 해석한

결과로서, 각각 실제로 측정한 그림 17, 그림 19와 거의 일치

함을 알 수 있다.

[그림 17] 실험#1의 금형온도 측정 결과

[그림 18] 실험#1의 금형온도 FEM 해석결과

[그림 19] 실험#2의 금형온도 측정 결과

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[그림 20] 실험#2의 금형온도 FEM해석 결과

정상상태에서의 금형상판의 최고 온도의 실제 측정값

은 147℃이며, FEM 해석 결과는 147.5℃로서 오차가 0.

5℃ 정도로 아주 무시할 정도이다. 정상상태에서의 금형

하판의 최고온도는 표 2와 같으며, 오차는 최저 0.2℃ 최

고 4.4℃를 나타내고 있다.

실험별측정

위치

측정치

[℃]

해석결과치

[℃]

오차

[℃]

실험#1

1 145.897 146.276 0.379

2 135.326 135.055 -0.271

3 135.421 138.078 2.657

4 146.380 142.623 -3.757

실험#2

1 139.331 137.358 -1.973

2 137.074 139.645 2.571

3 128.157 132.565 4.408

4 127.205 127.022 -0.187

[표 2] 가열 후 금형하판의 최고온도 결과 비교

냉각 후 금형하판의 온도는 표 3과 같으며, 오차는 최

저 0.28℃ 최고 5.08℃를 나타내고 있으며 해석결과가 측

정치와의 거의 일치함을 알 수 있다.

실험별측정

위치

측정치

[℃]

해석결과치

[℃]

오차

[℃]

실험#1

1 15.626 10.538 -5.080

2 12.026 14.951 2.925

3 14.808 13.796 -0.284

4 14.803 11.278 -3.525

실험#2

1 13.250 15.725 2.475

2 11.401 13.012 1.611

3 13.302 16.683 3.381

4 12.1 14.061 1.961

[표 3] 냉각 후 금형하판의 온도 결과 비교

5. 결론

본 연구를 통해 신발창 등을 제조하는 프레스 성형에

서 금형을 가열, 냉각시에 기존의 가열판과 냉각판을 사

용하던 방법을 대체하여 파이프 인서트 주조 금형을 사용

한 프레스 성형에 대하여 그 가능성을 Ansys에 의한 금형의

온도분포 해석과 LabView에 의한 금형 온도 측정으로 검증

해 본 결론은 다음과 요약할 수 있다.

1) 약 150℃ 증기스팀을 주입한 후 약 100초가 지나면

금형의 신발창 성형홈 주위의 온도가 약 147-150℃

정도로 분포함을 해석과 실제 측정에서 검증되었으

며, 이는 약 420초 동안의 가열하면 수지가 융용되

어 신발창 성형에 충분함을 알 수 있다.

2) 약 10℃ 의 냉각수를 주입한 후 약 120초가 지나면

금형의 신발창 성형홈 주위의 온도가 약 20℃로 내

려감을 해석과 실제 측정에서 검증되었으며, 이는

약 300초 동안 냉각하면 용융된 수지가 냉각되어

신발창을 성형하는데 충분함을 알 수 있다.

3) 결론적으로 파이프 인서트 금형을 사용한 프레스 성

형은 5초 동안 압축공기를 주입하여 금형을 청소한

후 약 150℃의 스팀을 약 7분간 주입하여 금형을 가열

하고, 약 5분 동안 약 10℃의 냉각수를 주입하여 냉각

하여 프레스 성형품을 취출하는 공정을 개발하였으

며, 이는 종래의 가열판과 냉각판을 사용하는 방법에

비하여 생산성이 2배 이상으로서 대체하여 사용할 수

있다.

참고문헌

[1] Yunus A. Cengel, Heat Transfer(A Practical Approach),

McGraw-Hill, 1999.

[2] 이좀선, 김세환, “용접 코팅된 연속주조 몰드의 열해

석”, 산학기술성공학회논문지, Vol.2, No.1, pp.7-12,

2001.

[3] 주영철, 이창훈, 김창교, “MEMS 공정으로 제작한 NO2

마이크로 가스센서의 열전달 해석”, 한국산학기술논문

지, Vol.5, No.2, pp.132-136, 2004.

[4] 김종덕, 홍석관, 이경환, 김미애, 이대근, “RT 기술을

이용한 사출금형의 3차원 냉각채널 구현”, Proc. of

KSPE 2006 Spring Conference, 2006.

[5] 이재철, 이준철, 안성훈, “금형의 온도 제어를 위한 내

부 채널 가공”, Proc. of KSPE 2007 Spring Conference,

pp.723-724, 2007.

[6] 임태우, 조동현, “판형 핀을 가진 원통-다관형 열교환

기의 열전달 특성에 관한 연구”, 한국산학기술논문지,

한국산학기술학회논문지 제10권 제12호, 2009

3566

Vol.10, No.1, pp.46-51, 2009.

[7] 서용권, 허성규, 김병휘, “내연기관의 실린더 헤드 조

립체 내부의 냉각수 유동 및 열전달에 관한 연구”, 한

국전산유체공학회지, 제14권 제1호, pp.9-17, 2009.

노 태 정(Tae-Jung Lho) [정회원]

• 1984년 2월 : 부산대 기계설계학

과(공학학사)

• 1986년 2월 : KAIST 생산공학

과(공학석사)

• 1992년 8월 : KAIST 정밀기계

공학과(공학박사)

• 1986년 2월 ∼ 1999년 2월 : 삼

성중공업 기전연구소(수석연구

원)

• 1999년 3월 ~ 현재 : 동명대학교 메카트로닉스공학과

부교수

공정해석, Mechatronics, Robotics, 계측제어 및 자동화 등

최 현 창(Hyeon-Chang Choi) [정회원]

• 1982년 2월 : 부산대 기계설계학

과(공학학사)

• 1984년 2월 : KAIST 기계공학

과(공학석사)

• 1994년 2월 : KAIST 기계공학

과(공학박사)

• 1984년 3월 ∼ 1997년 2월 : 한

국중공업 기술연구원 (선임연구

원)

• 1997년 3월 ~ 현재 : 동명대학교 메카트로닉스공학과

교수

Fatigue, Fracture, Structural Integrity, FEM, 발전설비 수

명평가

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